Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của hệ thống lái xe tải

5 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.1 Hệ thống lái Hình 1.2 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực Hình 1.3 Hệ thống lái điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái Hình 1.4 Sơ đồ tín hiệu

1

MỤC LỤC

LỜI CAM ĐOAN 3

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT 4

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 7

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN 8

1 1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA ĐỐI VỚI HỆ THỐNG LÁI 8

1.1.1 Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi 10

1.1.2 Hệ thống lái trợ lực hiện nay 13

1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU 17

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌC HỆ THỐNG LÁI XE TẢI 19

2.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG XE TẢI 19

2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải 19

2.1.2.Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe tải 20

2.2 ẢNH HƯỞNG CỦA ĐỘ ĐÀN HỒI LỐP TỚI TÍNH NĂNG QUAY VÕNG CỦA Ô TÔ TẢI 26

2.3 ẢNH HƯỞNG CỦA CÁC GÓC ĐẶT CỦA BÁNH XE DẪN HƯỚNG TỚI TÍNH QUAY VÕNG Ô TÔ TẢI 31

2.3.1 Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber) 31

2.3.2 Góc nghiêng ngang của trụ đứng (Kingpin) 35

2.3.3 Góc nghiêng do ̣c của trụ đứng bánh xe (Caster) 39

2

2.3.4 Độ chụm bánh xe dẫn hướng (Toe) 42

2.4.Mômen cản quay vòng tác dụng lên bánh xe dẫn hướng 44

CHƯƠNG III : MÔ PHỎNG SỐ 46

3.1 MỤC ĐÍCH MÔ PHỎNG SỐ 46

3.2 CÔNG CỤ MATLAB - SIMULINK 46

3.3 BẢNG SỐ LIỆU TÍNH TOÁN 47

3.4 XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH MÔ PHỎNG 48

KẾT LUẬN CHUNG 62

TÀI LIỆU THAM KHẢO 64

3

LỜI CAM ĐOAN

Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của tôi Những nội dung được trình bày trong luận văn do chính tôi thực hiện với sự hướng dẫn khoa học của thầy

giáo TS Hoàng Thăng Bình, cùng các thầy giáo Bộ môn ôtô – Trường Đại học

Bách Khoa Hà Nội Toàn bộ nội dung trong luận văn hoàn toàn phù hợp với nội dung đã được đăng ký và phê duyệt của Hiệu trưởng Trường Đại học Bách KhoaHà Nội Các số liệu, kết quả trong luận văn là trung thực

Hà Nội, ngày 20 tháng 03 năm 2016

Tác giả

Phạm Quang Minh

4

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU, CÁC TỪ VIẾT TẮT

a m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu trước

b m Khoảng cách từ trọng tâm ô tô đến trục cầu sau

Mx,My,Mz N.m Các Mômen tác dụng vào bánh xe dẫn hướng

theo phương x,y,z

5

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 Hệ thống lái

Hình 1.2 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hình 1.3 Hệ thống lái điện kiểu trợ lực bố trí trên trục lái

Hình 1.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện

Hình 2.1 Quỹ đạo của ô tô khi quay vòng

Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc

Hình 2.3 Các lực và momen tác dụng vào ô tô khi quay vòng

Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng

Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang

Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp

Hình 2.7 Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang

Hình 2.8 Mô hình quay vòng 1 dãy

Hình 2.9 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng

Hình 2.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang

Hình 2.11 Thay đổi cánh tay đòn nk và xác định thànhphần Fzsinγ do góc

6

Hình 2.22 Mômen làm quay bánh xe dẫn hướng của các lực dọc

Hình 2.23 Sự ăn mòn lốp do độ chụm quá lớn

Hình 3.1 Sự thay đổi góc Camber của bánh xe phía trong và phía ngoài

khigóc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi

Hình 3.2 Sự thay đổi góc Caster của bánh xe phía trong và phía ngoài với góc

Caster ban đầu τ = 10o khi góc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi

Hình 3.3 Sự thay đổi của góc Caster ứng với các giá trị góc Kingpinkhác

nhau khi góc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi

Hình 3.4 Sự thay đổi của góc Camber ứng với các giá trị góc Caster khác

nhau khi góc quay bánh xe dẫn hướng thay đổi

Hình 3.5 Mô-đun xác định sự thay đổi của góc Camber

Hình 3.6 Mô-đun xác định sự thay đổi của góc Caster

Hình 3.7 Mô-đun xác định sự thay đổi khoảng Caster

Hình 3.8 Mô-đun tính góc lệch bánh xe dẫn hướng

Hình 3.9 Mô-đun tính lực ngang tại điểm 1

Hình 3.10 Subsystem tính lực dọc tại điểm 1

Hình 3.11 Mô-đun tính lực dọc tại điểm 1

Hình 3.12 Subsystem tính tổng lực dọc

Hình 3.13 Hình 3.13 Mô-đun tính tổng lực dọc

Hình 3.14 Subsystem tính tổng lực ngang

Hình 3.15 Mô-đun tính tổng lực ngang

Hình 3.16 Subsystem tính mômen cản quay vòng

Hình 3.17 Mô-đun tính mô men cản quay vòng

Hình 3.18 Quan hệ phụ thuộc của Mcqv với góc quay dẫn hướng

Hình 3.19 Quan hệ phụ thuộc của Mcqv với vận tốc

Hình 3.20 Quan hệ của Mcqv với vận tốc và góc quay bánh xe dẫn hướng

7

MỞ ĐẦU

Ngày nay, nền kinh tế của Việt Nam đang trên đà tăng trưởng mạnh, đời sống của người dân tăng cao, nhu cầu đi lại, mua sắm các phương tiện cá nhân cũng tăng

Hệ thống giao thông nước ta ngày càng được hoàn thiện từ đó cho phép vận tốc tối

đa của ô tô tăng lên nhằm rút ngắn thời gian di chuyển của con người và hàng hóa, mang lại nhiều lợi ích về kinh tế Tuy nhiên, cùng với sự phát triển đó thì tại nạn giao thông là vấn đề thách thức lớn mang tính thời sự nóng bỏng.Trong các vụ tai nạn giao thông, số vu ̣ liên quan t ới hệ thống lái chiếm mô ̣t tỷ lê ̣ đáng kể Người ta

đã chứng minh được rằng khi vận tốc càng cao thì khả năng mất lái càng lớn do khi vận tốc lớn thì mô men trả lái giảm.Do đó, để giữ được cảm giác lái của người lái thì yêu cầu đối với ô tô ngày nay phải có hệ thống lái trợ lực có tỷ số truyền lực thay đổi

Ở nước ta, số lượng xe tải tham gia giao thông chiếm một tý lệ tương đối lớn Xuất phát từ yêu cầu thực tế, với mong muốn đóng góp một phần công sức của mình vào vấn đề an toàn giao thông cũng như có được kiến thức về động lực học hệ thống lái xe tải làm cơ sở dữ liệu cho việc nghiên cứu, thiết kế hệ thống lái trợ lực sau này, tác giả đã chọn đề tài nghiên cứu của mình liên quan đến động lực học của

hệ thống lái xe tải

Trong thời gian làm luận văn tác giả luôn nhận được sự hướng dẫn, chỉ bảo tận tình của thầy giáo hướng dẫn khoa học: T.S Hoàng Thăng Bình cùng các thầy giáo trong Bộ môn ôtô và xe chuyên dụng trường Đại ho ̣c Bách Khoa Hà Nội Tác giả xin chân thành cảm ơn thầy Hoàng Thăng Bình và các thầy trong bộ môn cùng các bạn đồng nghiệp đã tận tình giúp đỡ để tác giả hoàn thành luận văn của mình

8

CHƯƠNG I : TỔNG QUAN

1 1 CÁC YÊU CẦU ĐẶT RA ĐỐI VỚI HỆ THỐNG LÁI

Hệ thống lái của ô tô dùng để thay đổi hướng chuyển động của ô tô nhờ quay các bánh xe dẫn hướng và dùng để giữ phương chuyển động thẳng hay chuyển động cong cho ô tô khi cần thiết

Việc điều khiển hướng chuyển động của xe được thực hiện như sau: vành lái tiếp nhận lực tác động của người lái và truyền vào hệ thống lái, trục lái truyền mômen từ

vô lăng tới cơ cấu lái, cơ cấu lái tăng mômen truyền từ vành lái tới các thanh dẫn động lái, các thanh dẫn động lái truyền chuyển động từ cơ cấu lái đến các bánh xe dẫn hướng Kết cấu lái thay đổi tù y thuộc vào kết cấu chung của xe và từng chủng loại xe

Để quay vòng được thì người lái cần phải tác dụng vào vô lăng một lực, thông qua cơ cấu lái ta ̣o nên mô men thắng được mô men cản quay vòng từ mă ̣t đườn g

Để quay vòng đúng thì các bánh xe dẫn hướng phải quay quanh một tâm quay tức thời khi quay vòng

Hệ thống lái có nhiều loại, thông thường bao gồm các bộ phận chính như hình 1.1:

- Vành lái: là cơ cấu điều khiển nằm trên buồng lái, chịu tác động trực tiếp của người điều khiển

- Cơ cấu lái: là một hộp giảm tốc được bố trí trên khung hoặc vỏ của ô tô đảm nhận phần lớn tỉ số truyền của hệ thống lái

- Dẫn động lái: bao gồm đòn quay đứng, đòn kéo dọc, hình thang lái, đòn quay ngang, có nhiệm vụ liên kết cơ cấu lái với bánh xe và dẫn động cho bánh xe dẫn hướng

9

1- Bình dầu 2- Vành tay lái 3- Bơm dầu 4- Xi lanh thuỷ lực

Hình 1.1 Hệ thống lái

Tính ổn định hướng của ô tô là khả năng giữ được hướng chuyển động của ô tô theo góc quay vành lái khi chịu tác dụng của các lực và mômen ngoại cảnh Khi thực hiện quay vòng, yêu cầu đặt ra đối với hệ thống lái là phải đảm bảo động học và

đô ̣ng lực học quay vòng xe, người lái quay vành tay lái thông qua dẫn động lái và cơ cấu lái làm bánh xe dẫn hướng quay đi một góc Quỹ đạo chuyển động của ô tô liên quan đến tính dẫn hướng của xe Sự chuyển động của ô tô trên đường phụ thuộc vào rất nhiều mối quan hệ của bánh xe với nền đường Khi chuyển động trên các đường xá khác nhau, cùng với việc sử dụng lốp đàn hồi đã ảnh hưởng không nhỏ tới khả năng điều khiển cũng như độ ổn định của ô tô Khi đó, tại bánh xe luôn xuất hiện góc lệch bên do chịu đồng thời lực kéo và lực bên, biến dạng bên này làm sai lệch quỹ đạo chuyển động Để khắc phục hiện tượng này, trong hệ thống lái cần phải bố trí cơ cấu

10

thẳng Điều này được thực hiện nhờ mômen trả lái, mômen này xuất hiện đầu tiên là

do các quan hệ hình học trong hệ thống lái, các góc đặt bánh xe dẫn hướng, sau đó là

do khi quay vòng xuất hiện lực ngang, lực ngang này làm biến dạng lốp cao su, sự biến dạng đàn hồi này làm cho xuất hiện mômen để lốp trở về trạng thái ổn định

Để tăng tính an toàn chuyển động, người ta tăng diện tích tiếp xúc của lốp với mặt đường, đồng thời giảm áp suất lốp Nhưng như vậy cũng đồng nghĩa với việc cần phải đánh lái với một lực lớn hơn Để giảm nhẹ cường độ lao động cho người lái và tăng tính an toàn cho hệ thống điều khiển lái hầu hết các xe ô tô đều được trang bị trợ lực lái Yêu cầu đặt ra đối với trợ lực là:

+ Khi bộ trợ lực hỏng thì hệ thống lái vẫn phải làm việc được

+ Trợ lực lái phải giữ cho người lái có cảm giác sức cản của mặt đường khi quay vòng Điều này đồng nghĩa với khả năng trợ lực cần tăng cao khi mô men cản quay vòng lớn và ngược lại khả năng trợ lực cần giảm khi xe chuyển động với tốc độ cao Mối quan hệ giữa lực mà người lái đặt lên vành tay lái P và mômen cản quayvòng l

của các bánh dẫn hướng M cqv:

cqv l

c d th

M P

 -hiệu suất thuận của cơ cấu lái,

id - tỷ số truyền của dẫn động lái

1.1.1 Yêu cầu về tỉ số truyền thay đổi

Các xe ô tô hiện đại ngày nay có vận tốc ngày càng lớn và đòi hỏi độ an toàn

11

cao cũng như tính tiện nghi khi sử dụng Vì vậy, khi thiết kế một hệ thống dẫn hướng phải đảm bảo được các yêu cầu nghiêm ngặt trên, ngoài ra hệ thống phải có tính thân thiện với môi trường Giải quyết vấn đề về độ an toàn khi quay vòng ở tốc độ cao

và tính tiện nghi khi sử dụng, cần xét đến tỉ số truyền của hệ thống bao gồm tỉ số truyền động học và tỉ số truyền đô ̣ng lực học

Trong đó: - stlà góc quay của vô lăng (rad)

-  là góc quay của bánh xe dẫn hướng (rad) Khi người lái tác động một lực vào vành tay lái, làm vành tay lái xoay đi một góc Thông qua cơ cấu lái và dẫn động lái sẽ làm cho bánh xe dẫn hướng quay một góc tương ứng Thông thường cơ cấu lái của xe đảm nhiệm tỷ số truyền động học của hệ thống lái

Khi ô tô dừng, đỗ xe hoặc khi ô tô quay vòng trong điều kiện đánh lái ngoặt, người lái bao giờ cũng mong muốn quay vành tay lái một góc nhỏ còn bánh xe dẫn hướng quay với một góc lớn Tương ứng với lúc đó tỷ số truyền động học đặt ra cần phải nhỏ Ngược lại, khi ô tô chuyển động ở tốc độ cao, căn cứ vào yêu cầu chuyển động đòi hỏi góc quay vòng nhỏ của bánh xe dẫn hướng chính xác thì lúc này tỷ số truyền động học bé sẽ gây ra khó khăn cho người lái Mặt khác, khi ô tô quay vòng ở tốc độ cao, lúc này lực ly tâm (hay là lực ngang) lớn sẽ làm cho các bánh xe dẫn hướng bị biến dạng dẫn đến tiếp xúc của lốp với mặt đường thay đổi, hay nói một cách khác là góc quay của bánh xe dẫn hướng bị thay đổi, không còn đảm bảo quan hệ hình học của hệ thống lái ban đầu Điều đó sẽ làm cho xe rơi vào hiện tượng quay vòng thiếu hoặc quay vòng thừa

12

Do đó, cần phải có một tỷ số truyền động học có khả năng thay đổi để đáp ứng nhu cầu chuyển động của xe Để chế tạo cơ cấu lái có khả năng thay đổi tỷ số truyền đòi hỏi rất phức tạp, dẫn đến giá thành đắt như một số hệ thống lái cơ khí trước đây Ngày nay, người ta có xu hướng giữ nguyên tỷ số truyền cố định ở cơ cấu lái Thêm vào đó là người ta sử dụng bộ truyền hành tinh, kết hợp với motor điện, để đơn giản

về mặt chế tạo mà vẫn đáp ứng được yêu cầu thay đổi tỷ số truyền

1.1.1.2 Tỷ số truyền đô ̣ng lực học

Tỷ số truyền đô ̣ng lực học là tỷ số giữa mômen làm quay bánh xe dẫn hướng (mômen cản quay vòng tác dụng từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng) và mômen tác động lên vành tay lái Trong trường hợp hệ thống lái có trợ lực, tỷ số truyền động lực học được tính theo công thức:

do đó phải giảm mômen trợ lực Từ đó tỷ số truyền lực cũng thay đổi

Hình 1.2 Cấu tạo hệ thống lái trợ lực thủy lực

Hệ thống lái trợ lực thủy lực là bộ trợ lực sử dụng một phần công suất động cơđể tạo ra áp suất dầu thủy lực hỗ trợ cho quá trình xoay các bánh xe dẫn hướng đểchuyển hướng chuyển động của ô tô Khi xoay vô lăng, sẽ chuyển mạch một đường dầu tại van điều khiển

Hệ thống gồm 3 phần chính: bơm trợ lực (bơm cánh gạt), van điều khiển và xy lanh lực (hình 1.2)

- Thông qua đặc điểm làm việc của hệ thống lái trợ lực thuỷ lực có thể thấy hệ thống có các ưu điểm, nhược điểm như sau:

+ Ưu điểm: với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực đã giúp người lái điều khiển nhẹ nhàng hơn so với hệ thống lái không có trợ lực vì có thêm trợ lực tác động của piston-xy lanh lực lên thanh răng do áp suất dầu của bơm trợ lực gây ra Trong trường hợp xe bị nổ lốp hoặc xì hơi thì hệ thống đảm bảo được an toàn về hướng trong quá trình chuyển động

14

+ Nhược điểm: trong hệ thống lái trợ lực thuỷ lực, nguồn năng lượng trợ lực được tạo thành do sự làm việc bơm dầu mà bơm dầu lại được dẫn động từ trục khuỷu của động cơ, sử dụng một phần công suất của động cơ Trong quá trình chuyển động, ngay cả khi xe chuyển động thẳng thì bơm dầu vẫn làm việc, điều này gây lãng phí công suất động cơ trong khi hệ thống lái không cần nguồn trợ lực Để đảm bảo được áp suất dầu trợ lực thì hệ thống cần yêu cầu về độ kín khít cao ở trên đường ống, van do đó thường xuyên phải kiểm tra sự rò rỉ dầu trong hệ thống lái Hệ thống làm việc ồn do tiếng kêu của bơm dầu và dầu chảy qua các đường ống, van Ngoài ra, dầu trợ lực lái khi thải ra còn là nguồn chất thải gây ô nhiểm môi trường

- Đánh giá: đối với hệ thống lái trợ lực thủy lực thì tỉ số truyền lái không thay đổi

Do đó, không đáp ứng được yêu cầu rất quan trọng đối với hệ thống lái trên xe ôtô hiện đại ngày nay Để cải thiện điều này, người ta đưa ra hệ thống lái trợ lực thuỷ lực hỗ trợ điện tử EHPS bằng cách đưa ra thêm các van điện từ vào sau van phân phối để điều khiển áp suất dầu trợ lực Tuy nhiên, hệ thống EHPS tồn tại nhiều nhược điểm như: hệ thống phức tạp, về bản chất là hệ thống thuỷ lực nên tổn hao công suất do phải dùng bơm thuỷ lực, các yêu cầu về độ kín khít cao, khối lượng lớn và chiếm diện tích bố trí lớn Cùng với các loại EHPS, trong thời gian gần đây đã xuất hiện các dạng hệ thống lái trợ lực khác hoàn hảo hơn đó là hệ thống lái trợ lực điện EPS

15

1- Cảm biến mômen 3- Trục vít - Bánh vít 2- Mô tơ trợ lực 4- ECU điều khiển

Hình 1.3 Hệ thống lái trợ lực điện kiểu bố trí trên trục lái + Mô tơ trợ lực: mô tơ trợ lực nối với trục lái bằng bộ giảm tốc trục vít - bánh vít

và được điểu khiển bằng ECU, mô tơ có thể đảo chiều và quay ở các tốc độ khác nhau tùy theo mức độ đánh lái của người lái và mô men cản quay vòng

- Nguyên lý hoạt động: ECU tiếp nhận các thông số chính từ cảm biến mô men và từ tốc độ xe, ngoài ra có các thông số phụ như: tín hiệu tốc độ động cơ, tín hiệu B+ , chế

độ không tải… để tính toán điều khiển mô tơ trợ lực phù hợp với điều kiện lái Lực đánh lái càng lớn thì mô tơ trợ lực càng nhiều, nhưng mô men trợ lực sẽ giảm dần khi tốc độ xe tăng dần

+ Trạng thái quay vòng: khi người điều khiển tác động quay vành lái, xuất hiện hiện tượng xoay tương đối giữa hai đầu thanh xoắn, cảm biến mô men thay đổi điện áp tùy theo chiều quay và độ lệch tương đối giữa hai đầu thanh xoắn sau đó truyền tín hiệu về ECU, kết hợp với tín hiệu tốc độ xe lấy từ cảm biến tốc

độ mà ECU tính toán ra dòng điện điều khiển và chiều quay của mô tơ trợ lực cho phù hợp

16

Hình 1.4 Sơ đồ tín hiệu điều khiển hệ thống lái trợ lực điện + Trạng thái đi thẳng: trục lái không được tác động do đó không có hiện tượng xoay tương đối ở hai đầu thanh xoắn, cảm biến mômen không thay đổi điện áp, vì thế ECU không điều khiển môtơ trợ lực và trạng thái đi thẳng được giữ nguyên

-Ưu nhược điểm của hệ thống lái trợ lực điện: so sánh kết cấu với hệ thống lái trợ lực thuỷ lực thì hệ thống lái trợ lực điện không sử dụng bơm dầu để tạo ra năng lượng trợ lực mà sử dụng một motor điện một chiều, do đó giảm tổn hao nhiên liệu

từ 2-3% Hệ thống không sử dụng các đường ống dẫn và van phức tạp như hệ thống lái trợ lực thuỷ lực Với việc sử dụng motor điện một chiều, hệ thống lái trợ lực điện dễ dàng điều khiển được chiều quay của motor điện cũng như dễ dàng thay đổi mômen xoắn của motor bằng cách thay đổi cường độ dòng điện cấp vào motor

- Đánh giá: ngoài những ưu điểm vượt trội khi so sánh với hệ thống lái trợ lực thủy

lực thì hệ thống lái trợ lực điện đã đáp ứng được yêu cầu về tỉ số truyền lái thay đổi Đây là một yêu cầu rất quan trọng và đặc biệt là đối với các xe ô tô hiện đại ngày nay

17

Nhờ việc dễ dàng thay đổi tỉ số truyền lái mà hệ thống lái trợ lực điện giúp nâng cao

tính năng an toàn chuyển động của xe khi xe đi ở tốc độ cao, ngoài ra hệ thống còn giúp cho người lái dễ dàng điều khiển xe khi xe đi vào những đường hẹp, yêu cầu quay vòng với bán kính nhỏ

1.2 ĐẶT VẤN ĐỀ NGHIÊN CỨU

Khi xe ô tô chạy với vận tốc càng lớn thì hệ thống lái càng nhạy nếu vẫn giữ nguyên mô men đánh lái thì nguy cơ quá lái (bay lái) rất cao, điều này là vô cùng nguy hiểm cho người lái và các phương tiện tham gia giao thông.Theo các công trình nghiên cứu của các tác giả trên thế giới thì khi vận tốc lớn thì mô men trợ lực lái cần giảm để giữ nguyên mô men đánh lái.Vì vậy, để có cảm giác lái thì hệ thống trợ lực phải có tỷ số truyền lực thay đổi

Ở trên thế giới, có rất nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống lái , công trình của tác giả Wichai Siwakosit năm 2006 " Improvement of Cornering characteristic Using Variable Steering Ratio" đề cập đến ảnh hưởng của tỷ số truyền thay đổi đến khả năng hiệu chỉnh quỹ đạo quay vòng của xe trong điều kiện vận tốc, thông số hình học của xe thay đổi Các tác giả XU Zhenlin, Wanghao, Shang Zhe, Zhang Hai-hua, Wang Jia-jun với công trình "Study on characteristic of electric power assist steering system" đưa ra kết luận là đường đặc tính phi tuyến của hệ thống trợ lực lái Các công trình nghiên cứu nước ngoài này thường rất khó để tiếp cận vì rào cản

về ngôn ngữ, về tính bảo mật của nó

Trong nước, cho đến nay đã có các nghiên cứu liên quan đến tính ổn định chuyển động của ôtô trên đường vòng Trong công trình "Nghiên cứu đặc tính quay vòng của ôtô du lịch", tác giả Lê Đức Hiếu đã sử dụng mô hình một vết để tính toán ảnh hưởng của các thông số kết cấu cũng như điều kiện chuyển động (vận tốc, góc đánh lái) đến tính chất quay vòng của xe du lịch Tuy nhiên, các kết quả nghiên cứu mới chỉ dừng lại ở mức độ mô tả quỹ đạo chuyển động của xe ứng với một số trường hợp khảo sát như tải trọng, góc đánh lái thay đổi.Trong công trình " Xây dựng

mô hình khảo sát đặc tính làm việc của hệ thống lái trợ lực điện trên xe ôtô du

18

lịch" , tác giả Chu Đức Hùng đã phân tích đặc điểm của hệ thống lái điều khiển điện tử trên ôtô du lịch, phân tích các yêu cầu đối với hệ thống lái của ôtô khi chuyển động ở tốc độ cao, khả năng đáp ứng yêu cầu đòi hỏi thay đổi tỷ số truyền của hệ thống lái điện

Cho đến nay ở nước ta chưa có công trình nghiên cứu riêng các thông số, cơ sở

dữ liệu để cải tiến, thiết kế hệ thống trợ lực lái xe tải Xuất phát từ đó tác giả đã chọn hướng xây dựng đề tài tốt nghiệp: “ Xây dựng mô hình nghiên cứu động lực học của hệ thống lái xe tải” để đưa ra bộ thông số thiết kế bộ trợ lực cho các hệ

thống lái nói chung và xe tải nói riêng

Mục đích của đề tài:

- Xác định mô men cản quay vòng của ô tô tải khi xe đi vào đường vòng

- Mô phỏng mô men cản quay vòng của xe tải trên máy tính bằng phần mềm Matlab&Simulink

Với mục đích trên thì nội dung của đề tài được thể hiện như sau:

Chương I : Tổng quan

Chương II : Xây dựng mô hình động lực học của hệ thống lái xe tải

- Xây dựng các phương trình động lực học của xe tải khi quay vòng, ảnh hưởng của góc lệch bên và các góc đặt bánh xe tới tính quay vòng của xe

- Xác định mô men cản quay vòng của xe tải

Chương III : Mô phỏng số

- Mô phỏng mô men cản quay vòng của xe tải trên máy tính bằng phần mềm Matlab&Simulink

19

CHƯƠNG II: XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐỘNG LỰC HỌCHỆ THỐNG LÁI XE TẢI

2.1 ĐỘNG LỰC HỌC QUAY VÕNG XE TẢI

2.1.1.Đặc điểm quay vòng của xe tải

Hình 2.1 Quỹ đạo của ô tô khi quay vòng Quá trình ô tô đi vào đường vòng được chia làm 3 giai đoạn như hình 2.1:

-Giai đoạn 1: xe bắt đầu vào đường vòng (đoạn ab), ở giai đoạn này bán kính quay vòng thay đổi vì khi quay vòng để đạt ngay bán kính quay vòng bằng hằng số thì rất nguy hiểm cho xe Chính vì vậy ở giai đoạn này người lái phải đánh lái từ từ -Giai đoạn 2: Người lái giữ vành tay lái để xe quay vòng với bán kính không đổi hay còn gọi là giai đoạn quay vòng ổn định (đoạn bc)

-Giai đoạn 3: Khi thực hiện quay vòng xong người lái trả vô lăng về, ở giai đoạn này bán kính quay vòng giảm dần (đoạn cd)

20

2.1.2.Xây dựng các phương trình động lực học quay vòng xe tải

Khi xe vào đường vòng, để đảm bảo các bánh xe dẫn hướng không bị trượt lết hoặc trượt quay thì đường vuông góc với các véctơ vận tốc chuyển động của tất cả bánh xe phải gặp nhau ở một điểm, điểm đó chính là tâm quay tức thời của xe (điểm

O trên hình 2.2)

Xét mô hình mô ̣t dãy với điểm 1,2 và điểm C có tâm quay tức thời là O

Hình 2.2 Lực ngang và gia tốc

Từ hình vẽ có đươ ̣c:

Gia tốc theo phương x của xe: x 2 3 dv 2 (2.2)

v: là vận tốc ô tô theo phương x

Lực ngang của ô tô khi đi vào đường vòng:

(2.3) Khi đó lực ngang của ô tô khi đi ra đường vòng:

(2.4) Lực ngang của ô tô khi quay vòng ổn định:

(2.5) Theo hình trên do  nhỏ nên : (2.6)

- Lực ngang khi xe bắt đầu đi vào đường vòng là lớn nhất và lực ngang phụ thuộc vào phân bố trọng tâm của xe, gia tốc đánh lái, vận tốc của xe

22

- Khi đi vào đường vòng thì thời điểm dễ làm cho xe lệch khỏi quỹ đạo nhất là thời điểm khi xe bắt đầu đi vào đường vòng Vậy để an toàn người lái nên giảm tốc

độ, đánh lái từ từ, khi bắt đầu đi vào đường vòng

Khi ô tô chịu lực ngang Py lúc đó xuất hiện lực ngang của mặt đườngR , y1 R tác 2

dụng lên lốp xe

Mô men cản lăn do lực quán tính được tính theo công thức:

(2.12) Trong đó:  là bán kính quán tính của ô tô

Từ hình 2.2, viết phương trình cân bằng mômen tại điểm 1 và điểm 2:

Tại điểm 1:

R y2.LM j - aPy 0

(2.13) Kết hợp (2.9), (2.12), (2.13) có đươ ̣c:

(2.14) Tương tự tại điểm 2:

R L y1 bPy M j 0

(2.15) Nhận xét: phản lực từ mặt đường đến bánh xe dẫn hướng phụ thuộc vận tốc, gia tốc của ô tô và vận tốc, góc đánh lái

23

Hình 2.3 Các lực và momen tác dụng vào ô tô khi quay vòng

Khi chuyển động quay vòng khi đó ô tô chịu thêm các lực do chuyển động tròn, các lực nay sinh ra mô men cản sự quay vòng của ô tô Tổng mô men cản đƣợc tính theo công thức:

(2.16) Trong đó:

M1: Mô men do lực cản lăn sinh ra

M2: Mô men do lực ngang sinh ra

M3: Mô men cản quay vòng do chênh lệch lực kéo giữa hai bánh xe

Mô men do lực cản lăn đƣợc tính theo công thức:

25

Hình 2.4 Các lực tác dụng vào bánh xe dẫn hướng

Từ hình vẽ có đươ ̣c:

Ry1 phân ra làm 2 lực: Lực theo phương dọc lốp bánh xe dẫn hướng Ry1,x

Lực theo phương ngang lốp bánh xe dẫn hướng Ry1,y

Fx1 phân ra làm 2 lực: Lực theo phương dọc lốp bánh xe dẫn hướng F’x1

Lực theo phương ngang lốp bánh xe dẫn hướng F

26

Thay (2.19) và (2.32) vào (2.37) được:

(2.33) Phản lực bên của bánh xe dẫn hướng

(2.34) Thay (2.15) và (2.27) vào (2.34) được:

Hình 2.5 Sơ đồ bánh xe lăn khi lốp bị biến dạng dưới tác động của lực ngang

Sự chuyển động của ô tô phụ thuộc rất nhiều vào mối quan hệ của bánh xe với nền đường Ngày nay, phần lớn ô tô sử dụng các loại lốp bằng cao su có khí nén, tức là các bánh xe đàn hồi Khi các bánh xe được lắp lốp đàn hồi, thì sự tiếp xúc của lốp xe với mặt đường không phải là điểm tiếp xúc mà là một vùng tiếp xúc Khi xe chạy trên đường vòng, dưới tác dụng của lực ly tâm, lực gió bên, hoặc thành phần

27

của trọng lực xe sẽ làm xuất hiện lực ngang Ry tác dụng lên bánh xe dẫn hướng Dưới tác dụng của lực ngang Ry các bánh xe đàn hồi sẽ bị lệch bên và đường tâm vết tiếp xúc của lốp với mặt đường sẽ bị lệch so với mặt phẳng lăn bánh xe một góc

 gọi là góc lệch bên Khi trị số lực ngang còn nhỏ hơn trị số lực bám ngang của lốp trên mặt đường, thì lốp xe bị biến dạng làm cho bánh xe bị lăn lệch khỏi quỹ đạo chuyển động ban đầu Góc lệch bên phụ thuộc vào kết cấu mành lốp, vật liệu cao su, áp suất lốp, trị số lực ngang, hệ số bám ngang của đường

Mối quan hệ giữa lực ngang Ry tác dụng vào bánh xe và góc lệch bên  được trình bày trên đồ thị trên hình 2.6

Hình 2.6 Đồ thị quan hệ giữa lực ngang và góc lệch bên của lốp

Đoạn thẳng OA tương ứng với sự lệch tinh của lốp (không có sự trượt bên), đoạn

AB đặc trưng cho sự trượt cục bô từ lúc bắt đầu (điểm A) tới khi trượt hoàn toàn (điểm B) Tại thời điểm này (điểm B) phản lực ngang Ry đạt tới giá trị của lực bám ngang của lốp tới mặt đường

Đối với ô tô tải: k = 1150 ÷ 1650N/độ

Hình 2.7 Quay vòng xe khi lốp có biến dạng ngang Khi các đường vuông góc với hướng chuyển động của các bánh xe có thể không gặp nhau tai tâm quay vòng O như trên hình vẽ thì việc khảo sát sự quay vòng của

xe sẽ rất khó khăn Vì thế, để việc khảo sát có tính khả thi ta coi các bánh trước có góc lệch trung bình là 𝛼1, các bánh sau có góc lệch trung bình là 𝛼2 Khi đó mô

hình quay vòng thể hiện trên hình 2.7 sẽ được đơn giản hóa thành mô hình một dãy

hình 2.8

Quay vòng đặc biệt là quay vòng ở vận tốc cao, các góc lệch 𝛼1,𝛼2 và góc quay bánh xe dẫn hướng θ có giá trị nhỏ

29

Hình 2.8 Mô hình quay vòng 1 dãy

Do có sự biến dạng nên góc quay vòng thực tế của các bánh xe dẫn hướng v

thay đổi và được tính như sau:

v

 = θ –  = θ – Ry/k (2.38)

Trong đó : v – là góc lăn thực thế của bánh xe

θ – là góc quay bánh xe dẫn hướng Đối với ô tô có lốp đàn hồi theo hướng bên thì góc quay vòng cần thiết θ của bánh xe dẫn hướng để xe có thể chuyển động trên đường cong có bán kính R sẽ phụ thuộc không những vào chiều dài cơ sở của xe mà còn phụ thuộc vào khả năng chống lệch bên của lốp Từ hình 2.8 xác định được:

2 ( 1)

L R

G v F

gR



Từ (2.37) có đươ ̣c:

2 1 1

2.3.1 Góc nghiêng ngang bánh xe (Camber)

Góc tạo bởi đường tâm của bánh xe dẫn hướng với phương thẳng đứng (vuông góc với mặt đường) trong mặt phẳng ngang gọi là góc nghiêng ngangcủa bánh xe (Camber), kí hiệu bằng γ và đo bằng độ (hình 2.10) Khi phần trên của bánh xe nghiêng ra phía ngoài thì gọi là “Camber dương” Ngược lại, khi phần trên của bánh

xe nghiêng vào trong thì gọi là “Camber âm”

Khi các bánh xe đặt nghiêng trong mặt phẳng ngang sẽ làm nảy sinh các vấn đề sau:

- Xuất hiện thành phần phản lực bên từ tải trọng tác dụng lên bánh xe

32

Hình 2.10 Góc nghiêng bánh xe dẫn hướng trong mặt phẳng ngang

- Làm thay đổi mômen của các lực dọc đặt tại vùng tiếp xúc giữa bánh xe với mặt đường tác dụng lên trụ đứng do làm thay đổi cánh tay đòn của nó

Góc Camber làm giảm được mômen do các phản lực dọc tác dụng làm quay các bánh xe dẫn hướng bằng cách giảm cánh tay đòn nk Tuy nhiên, khi góc Camber lớn

sẽ làm cho các bánh xe bị nghiêng và mòn không đều Trong thực tế, góc Camber thường có giá trị rất nhỏ hoặc bằng không

Hình 2.11 Thay đổi cánh tay đòn nk và xác định thành

phần Fzsinγ do góc Camber sinh ra Khi quay vòng, lực ly tâm làm toàn bộ khung xe bị kéo về phía cách xa tâm quay